Основные особенности строения и состава горных пород в массиве

Основные факторы, обусловливающие более сложное строение горных пород в массиве по сравнению с образцом, – это развитая трещиноватость пород – геологические нарушения, естественные и искусственные трещины.

Нарушенность пород проявляется в их трещиноватости.

Трещиноватость – это совокупность трещин, имеющихся в породном массиве. Как правило, все горные породы имеют ту или иную степень трещиноватости.

Трещиноватость пород определяется густотой расположения трещин, количеством систем трещин и их взаиморасположением.

Трещиной называют плоский разрыв сплошности среды, величина которого на порядок и более превосходит межатомные расстояния в кристаллической решетке (т. е. более 10 ^-9 м).

Трещины, группируясь в системы, разбивают породу на блоки (отдельности горных пород), форма и величина которых зависят от числа систем трещин, направления и частоты трещин в системе.

В породном массиве выделяют до 8–10 систем трещин, ориентированных в пространстве под разными углами падения и углами простирания.

Трещины различаются по следующим признакам:

1. По степени раскрытия: открытые, закрытые, скрытые.

Открытые трещины – это трещины с разомкнутыми стен­ками. Открытые трещины могут быть зияющими или запол­ненными другой породой или минералами.

В закрытых трещинах наблюдается плотное смыкание их стенок.

Скрытые трещины вообще неопределимы визуально, однако при нагружении породы разрушение происходит именно по ним.

2. По размерам:

внутрикристаллические трещины, вызван­ные условиями возникновения и развития в породе отдельных кристаллов (размеры около 10^–9 – 10^{-16,40 футы});

межкристаллические трещины, ориентированные хаотично (размеры 10^-4 – 10^{-2 м);}

макроскопические трещины – кливаж, тектонические нарушения, трещины усыхания и остывания, выветривания и т. д. (размеры от 10^-1 до 10² м).

3. По форме:

прямолинейные и изогнутые (коленчатые, дугообразные и кольцеобразные).

Выделяют также системы трещин: радиальные, концентрические, кулисообразные, ветвящиеся и др.

4. По геометрическому взаимоотношению трещин со слоистостью:

трещины продольные, параллельные линии простира­ния; поперечные, рассекающие породу в направлении линии падения; диагональные, которые пересекают породу под раз­личными вертикальными углами; согласные трещины, поверхности которых параллельны плоскостям слоистости или сланцеватости.

5. По углам наклона к горизонтали:

вертикальные (угол падения 80–90°), крутые (60–80°), средней крутизны (30–60°), пологие (10–30°) и горизонтальные (0–10°).

Система трещин может оказать влияние на физические параметры пород, если исследуемый объем породы таков, что эти трещины в нем присутствуют.

В лабораторных экспериментах большинство трещин, характеризующих горную породу в массиве, не может быть учтено.

В связи с этим наблюдается отличие свойств образца от горной породы в массиве. Это различие называется масштабным эффектом.

По соображениям технологического характера при оценке разрабатываемых массивов в известную классификацию пород по силам связей на твердые, связные и рыхлые (см. разд. 1.5) вводят дополнительные группы пород в зависимости от их строения.

1 Твердые породы подразделяют на скальные и полускальные,

К скальным относят большую часть изверженных и метаморфических пород и некоторые породы осадочного происхождения.

К полускальным относят часть изверженных и метаморфических пород (со сравнительно слабыми силами сцепления между частицами) и породы осадочного происхождения.

Характерная технологическая особенность полускальных пород в отличие от связных и рыхлых – необходимость их разрушения перед выемочно-погрузочными работами.

К полускальным породам относятся, например, слабые песчаники, мергели, слабые известняки и сланцы, гипс, каменная соль, крепкие ка­менные угли и др.

2 Связные породы подразделяют на – на плотные и мягкие,

Плотные породы представлены твердыми глинами, мелами, бурыми и каменными углями и др.

Их можно разрабатывать горными машинами без предварительного разрушения при достаточных усилиях резания В случае динамических нагрузок плотные породы разруша­ются хрупко, но при длительном воздействии нагрузок они ве­дут себя как пластичные тела.

Мягкие породы представлены песчаными суглинками, супесями, мягкими углями и др. Такие породы достаточно легко разрабатывают без предварительного рыхления всеми видами выемочных машин. При высыхании они становятся полутвердыми, а под действием воды набухают.

3 Рыхлые породы подразделяют на – на сыпучие и разрушенные.

Сыпучие породы – это различные пески.

Разрушенные породы – это первоначально твердые или связные породы, которые под воздействием природных или искусственных факторов разрушены, превращены в рыхлые.

Скальные и полускальные породы по степени трещиноватости подразделяются на пять технологических категорий:

1. Практически монолитные, у которых размер отдельностей превышает 1,5 м, средний размер – около 1 м, видимые трещины отсутствуют.

2. Малотрещиноватые, у которых среднее расстояние ме­жду трещинами и размер отдельностей – до 1,5 м (в среднем 0,7 м). Такие породы имеют блочное строение, видимые тре­щины в них заполнены мелким материалом.

3. Средней трещиноватости, у которых расстояние между трещинами и средний размер отдельностей составляют около 0,5 м. Они имеют блочное строение, хорошо различимые, ино­гда заполненные мелким материалом трещины.

4. Сильнотрещиноватые с отдельностями в около 0,3–0,4 м. Часто имеют место напластования и видимые сомк­нутые трещины.

5. Чрезвычайно трещиноватые, имеющие средний размер отдельностей в массиве около 0,2 м. Отсутствуют отдельности крупнее 1 м.

Степень трещиноватости пород варьирует в широких пределах даже на одном месторождении. Поэтому одинаковые по наименованию породы одного месторождения на различных участках могут быть отнесены к разным категориям трещиноватости.

Преобладание какой-то определенной ориентированной системы трещин в горной породе в массиве может привести к возникновению анизотропии.

Породный массив, состоящий из нескольких пород, обладает некоторыми усредненными свойствами слагающих массив пород. Однако дополнительное влияние оказывают такие факторы, как мощность, характер и форма залегания отдельных пород, их чередуемость, слоистость, нарушенность.

При изучении строения и состава пород в толще массива можно наблюдать сильное влияние выветривания на породы верхних слоев и влияние уплотнения, обезвоживания и цементации на свойства тех же пород в нижних слоях.

В слоистой толще массива горных пород одни и те же породы могут вести себя либо как жесткие, либо как пластичные в зависимости от того, между какими породами они за­легают.

Так, угольный пласт может быть жестким элементом в толще глинистых пород и выступать податливым, пластичным пропластком между плотными песчаниками.

По строению массивы пород характеризуют мощностью и углом падения слоев, наличием геологических нарушений, зон трещиноватости, секущих жил, интрузий и т. д.

Так, все массивы горных пород подразделяют (рис. 1.1) на:

а – не нарушенные;

б – тектонически нарушенные, среди которых выделяют массивы с моноклинальным залеганием пород;

в – простого складчатого строения без разрывов сплошности;

г – сложного складчатого строения с вторичной складчатостью пород:

д – сложного складчатого строения с развитыми разрывами;

е – сложного складчатого строения с магматическими внедрениями.